用于等离子体注入的高频高压全固态脉冲功率源

用于等离子体注入的高频高压全固态脉冲功率源
刘克富吴异凡邱剑
复旦大学电光源研究所
kfliu@
1 引言
随着脉冲功率技术的发展，Marx 发生器（如图1）目前已经远不是传统意义上仅仅作为进行耐压试验升压装置，在很多需要高功率脉冲的场合，都可以看到Marx 发生器的身影。

由于传统的Marx发生器通常使用气体开关，因而重复频率，稳定性和寿命方面都有很大局限，整个系统的效率也很低。

随着近几十年来电力电子半导体固态开关器件的发展和成熟，国内外的很多研究人员开始研制采用半导体开关作为主开关的Marx 发生器系统。

图1 传统Marx发生器结构
本课题所研制的固态Marx 发生器产生的重频高压脉冲可应用于等离子源离子浸没式注入（Plasma Source Ion Immersion Implantation）研究，在其他应用领域如雷达电源，高功率微波源，快脉冲放电源也有着非常广泛的前景。

等离子源离子浸没式注入的实验及理论论证，用高重复频率短上升沿的负高压脉冲放电，可以获得很好的效果。

传统的高功率脉冲源的输出脉冲很难兼顾高压、高重复频率和快上升前沿的要求，并且使用寿命和稳定性也不理想，本文将充分利用Marx 发生器和现代半导体器件在频带上的优势，旨在研制一台重频脉冲功率源，实现电压幅值最高－60kV，频率500Hz，上升时间800ns，负载脉冲电流25A 稳态电流3A，脉冲宽度20μs 到100μs 的方波输出。

本文通过对该Marx 发生器系统原理详细分析，设计出系统各部分的详细参数并选取了合适的器件；提出并改进了一种新颖的自取电IGBT 驱动电路；通过假负载测试给出了电源输出波形，并且将整套系统用于等离子源离子浸没式注入实验中，给出等离子
体负载输出波形。

2 固态Marx发生器
一般情况下，n级Marx发生器由n个开关和电容，2n个隔离电阻组成。

图2所示为所研制的4级Marx发生器示意图。

半导体IGBT取代了气体开关，二极管和电感取代了隔离电阻。

2.1 工作状态
在充电模式下，所有IGBT 开关处于关断状态，电容器相当于通过二极管并联在一起。

图2 最右边是低压高频充电电源用AC 表示，它通过高频升压变压器T 将原方能量传输给副方，再经过高频高压整流桥整流成正向充电电压，正向电压通过大电感L 往左边等效并联的电容器充电，此处电感L 起到充电限流作用。

L
图2 固态Marx发生器
在放电模式下，假设高频高压充电电源AC 不再工作，所有IGBT 开关管瞬间同时开通将所有的电容器串联起来。

在所有IGBT 开关导通时，其两端电压不断减小，此时电容电压通过IGBT 开关管S 将二极管 D 反向截止。

20 级等效串联电容电压加载到负载上，负载上电压随着20个IGBT 两端电压的迅速减小而增加，负载电流也逐渐上升，当所有IGBT 开关管完全导通时，负载也获得全部电容串联电压-60kV。

2.2 IGBT驱动电路
本文中IGBT驱动电路最应当注意的是高电压隔离的问题且隔离电压需要大于60kV，还应注意20个IGBT驱动的同时性问题。

由于IGBT开关在开通或关断以后是不需要门极驱动提供能量的，所以它的驱动功率非常小，也就是门极输入电容所消耗的能量。

因此可以采取每个IGBT 开关管驱动电源从各自的高压端取电的方式，称之为自取电方式。

触发信号的同时性问题和隔离采取的是光纤方式。

2.3 参数选取
实验中采用的是单管IGBT ，最小击穿电压4kV ，稳态电流40A ，实际工作电压3kV ；采用多个二极管串联起来使用，这样在满足通流能力同时又提升了耐压等级。

电容量选取应该保证在满负载最大脉宽放电时串联电容器上的电压值不能下降到低于我们所要求的最小电压值，所以要综合考虑几个方面因素：输出高压方波脉冲所允许的最大顶部电压降落，放电时满负载下的平均电流和最大脉宽放电时大电感L 上所流过的平均电流。

本课题所要求的高压方波输出电压顶部降落小于20％。

单个电容器的最小电容量可由公式1所决定。

下式中n 表示Marx 发生器的级数取为20，t M 表示最大脉宽为100μs ，ΔUD 表示最大顶部压降。

我们可以算出每个电容器电容量不得小于1.33μF ，在实验中我们采用的是2μF ，工作电压4kV 的无极性电容器。

()=Load Inductor M
D S I I t Q U C C n
+⨯∆∆≥
（1） 电感量的选择需要综合考虑几个因素：在充电状态应保证在满负载最高频率500Hz 最大脉宽下能够将并联电容器充到3000V ；在同样负载工作状况放电状态时应限制住放电电流不超过IGBT 开关管的最大通流能力。

为了更加方便求解出电感量，我们可以假设电容串联时输出电压恒定为54kV ，那么电感上的电流就可以看成是线性增加的，我们就可以通过式2来求得最小电感量。

式中ΔI 表示电感上允许流过的峰值电流为10A ，因为前文已给出电感平均电流为5A 。

所以可以算出电感量最小取值为540mH ，实验中使用的是600mH 左右的电感。

M
U t I L ⨯∆≥
（2）
3 实验结果
实验中为了测试整套固态Marx 发生器系统性能，我们使用2 个10kΩ 电阻串联起来当作假负载，脉宽100μs 时电压电流波形如图3所示。

之所以使用2个10kΩ电阻因其能够提供所要求的3A 额定电流输出，实验中所使用的高压探头Tektronix P6015 最高测量脉冲电压
40kV ，所以它只能测量2个电阻中低电位的一个。

可以从图3 中看出，输出电压峰值 -60kV ，电压降落小于设定的20%。

图中所示电流是电阻负载电流加上电感上的电流，电阻上电流应该是一个幅值3A ，脉宽100μs 的方波，而电感上电流为线性上升的波形。

图4所示的为输出电压-60kV ，频率为500Hz 脉冲波形。

图5 所示的为不同脉宽下的输出电压波形，从最小脉宽2μs （左上图）到100μs 连续可调。

固态Marx 发生器系统使用在等离子源离子浸没式注入（PSIII ）技术当中，实验中所使用的腔体为直径400mm 高500mm 的圆柱体，有一个进气口，通入所需气体，还有一个真空泵口，用于抽真空维持腔体内部低气压状态，腔体上部有一个射频电源用于发射射频产生等离子体基底，固态Marx 发生器的输出负脉冲由腔体下方的支撑杆引入，支撑杆上的高压负脉冲就能加速腔体内部的离
子轰击试品台上被处理的试品形成离子注入效应。

实验中发现腔体内部等离子体状态的不同，等离子体负载的电压电流波形也略为有所不同。

图6所示的为Marx 发生器输出-20kV ，脉宽35μs ，频率250Hz 的负载电压电流波形。

该实验中，射频电源工作频率为13.56MHz ，功率为330W ，腔体内的气体为氮气和氩气的混合气体，气压为0.2Pa 。

V o l t a g e (k V )
C u r r e n t (A )
图3 输出-60kV,100μs 电压电流波形 -80
-60
-40
-20
20
O u t p u t V o l t a g e (k V )
Time (2ms/div)
图4 输出-60kV ,500Hz 电压波形
-60
-300
V o l t a g e (k V )
Time (20μs/div)
-60
-30
0Time (20μs/div)
V o l t a g e (k V )
-60
-300 V o l t a g e (k V )
Time (20μs/div)
-60
-300
V o l t a g e (k V )
Time (20μs/div)
图 5 固态Marx 输出不同脉宽电压波形
-30
-20
-10
3
6
9
V o l t a g e (k V )
C u r r e n t (A )
Time (20μs/div)
Voltage
Current
图 6 PSIII 实验等离子体负载电压电流波形
4 结论
本文介绍了使用固态器件的Marx 发生器结构和原理，并对整套系统的各个参数进行计算。

所研制的脉冲功率源电压脉宽、幅值、重复频率可调，稳定可靠，在等离子体研究和应用领域具有广泛的应用前景。

该脉冲功率源已成功应用于等离子体注入实验研究。